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Nb-Si鈮硅基合金新型超高溫材料航空航天合金
發布人：上海艾荔艾金屬材料有限公司www.jshcn.cn
更新時間：2014-11-01
Nb-Si基超高溫合金具有高熔點、低密度以及優異的綜合性能，其目標使用溫度是比Ni基高溫合金提高200～300℃，有望應用于在1300～1500℃工作的燃氣渦輪發動機葉片以及空天飛行器超然沖壓發動機熱端部件上。
隨著高性能航空航天飛行器的發展，航空發動機熱端部件的工作溫度不斷提高，已經超過鎳基高溫合金的極限溫度，因此，迫切需要尋求新型的超高溫材料以替代現有的Ni基高溫合金。上世紀末，美國空軍提出了要開發可在1400℃使用的材料，使發動機的推重比達到15～20。在過去的20多年中，難熔金屬硅化物以其高熔點、低密度和優良的高溫性能等特點受到了越來越廣泛的關注。其中，Nb-Si?基合金(密度約為6.6～7.2?g/cm3，成為最有潛力的新型超高溫材料。
Nb-Si?基超高溫合金具有高熔點、低密度以及優異的綜合性能，其目標使用溫度是比Ni基高溫合金提高200～300℃，有望應用于在1300～1500℃工作的燃氣渦輪發動機葉片以及空天飛行器超然沖壓發動機熱端部件上。Nb-Si?基超高溫合金依靠硅化物Nb5Si3相在高溫增強，鈮基固溶體相在室溫增韌，鉻化物Cr2Nb相提供更好的高溫抗氧化性能，以實現室溫韌性、高溫強度和高溫抗氧化性能的匹配。
Nb-Si?基超高溫合金的研發思想主要是通過加入韌性固溶體相，形成鈮基固溶體/Nb5Si3雙相復合材料，在保持優良高溫強度的同時，改善其室溫韌性。
Nb-Si?基超高溫合金主要的合金化元素為Ti、Al、Cr、Hf、Zr、Mo、V、Ta、Sn、B?以及Ho?和Dy等稀土元素。目前國內外研究的典型Nb-Si基合金的成分為:?Si?含量為12～18at%，Ti?含量為20～24at%，Cr含量為2～6at%，Al?含量為2～6at%，Hf含量為2～8at%，稀土元素的含量一般不超過5at%。
Nb-Si?基超高溫合金的制備方法和熱加工工藝有真空非自耗/自耗電弧熔煉、粉末冶金、定向凝固、物理氣相沉積、熱等靜壓、熱擠壓和燒結-鍛造等。國內外有關Nb-Si?多元合金的報道中，綜合性能最優異的是GE公司通過定向凝固法制備的Nb-24.7Ti-16Si-8.2Hf-2.0Cr-1.9Al?合金。該合金的組織是由鈮基固溶體、Nb3Si?板條以及少量Nb5Si3組成，組成相沿生長方向并列分布，其中鈮基固溶體的體積分數為54%，鈮基固溶體枝晶包括其二次枝晶臂的平均尺寸為24μm。該合金的斷裂韌性KIC約為19～22?MPa·m1/2，抗拉強度約為820MPa，1200℃的抗拉強度為370?MPa。由于該合金的密度較低，所以其比強度較高。另有報道，用擠壓+熱處理制備的Nb-10Si合金的抗拉強度可達800?MPa左右，但其延性低于0.5%。目前,研發工作的短期目標是1370℃在試驗臺暴露10?h氧化損失小于200μm?;?長期目標是1315℃/100?h氧化損失小于25μm。這些氧化性能的目標是要使Nb-Si基合金在1315℃獲得與目前二代單晶合金在1150℃?相同的氧化壽命。另有報道，美國GE公司用電弧熔煉和滴鑄技術制備出Nb硅化物的近終型葉片模擬件。葉片模擬件的全長約為150?mm。在該項技術中，先用傳統電弧熔煉將合金熔化，然后滴鑄到陶瓷基模殼中，氧化鋁基模殼采用傳統掛漿技術制備，表面有涂層，用于減小合金與模殼的反應程度。
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